عنوان پایان‌نامه
کنترل غیر خطی یک واحد شیمیایی با استفاده از ترکیب منطق فازی و الگوریتم های تکاملی
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی – فرآوری و انتقال گاز
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1474.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 64280
- تاریخ دفاع
- ۰۴ تیر ۱۳۹۳
- دانشجو
- سیما حجازی
- استاد راهنما
- مهدی مهرپویا
- چکیده
- برج تقطیر را می‌توان یکی از مهمترین واحدهای فرآیندهای شیمیایی به‌حساب آورد که واحدهای مختلف در قسمت بالا‌دست و پایین‌دست آن وابستگی شدیدی به نحوه کارکرد و پایداری آن دارند. بنابراین بحث بهینه‌سازی کارکرد برج تقطیر، کاهش مصرف سوخت و افزایش کیفیت محصول تولیدی از مهمترین موضوعات مورد بحث در کنترل برج تقطیر می‌باشد. اما سامانه‌های برج تقطیر ذاتاً رفتار نا‌معین و بسیار غیر‌خطی از خود نشان می‌دهند و پارامترهای آن در تداخل بسیار شدید با یکدیگر هستند. در تقابل با کنترل کننده‌های کلاسیک، کنترل فازی به‌خوبی برای فرآیندهای پیچیده و نامعلوم به‌کار می‌رود. یعنی در شرایطی که از دینامیک داخلی سیستم اطلاعات چندانی نداریم و تنها یک انسان خبره قادر به کنترل فرآیند براساس تجربه است، کنترل فازی می‌تواند بسیار سودمند باشد. یک نکته‌ی مهم در طراحی کنترلر فازی تعیین دقیق پارامترهای توابع عضویت فازی می‌باشد. زیرا به‌دلیل عدم وجود روشی منظم برای طراحی و تنظیم توابع عضویت، اغلب از روش سعی و خطا برای تنظیم آن‌ها استفاده می‌شود .این امر بویژه زمانی که تعداد توابع عضویت زیاد باشد و یا دینامیک سامانه کند باشد، امری طاقت فرسا است . بدین منظور می‌توان از الگوریتم‌های مبتنی بر هوش جمعی برای خودکار نمودن طراحی و رسیدن به تنظیم بهینه توابع عضویت استفاده نمود. از نمونه‌های طبیعی چنین سامانه‌هایی می‌توان الگوریتم ازدحام ذرات (PSO) را نام برد. مشکل دیگری که در پیاده سازی کنترلر فازی برای فرآیندهای پیچیده که با عدم قطعیت زیادی مواجهند وجود دارد، محیط شبیه‌سازی است که بتواند رفتار سامانه را به درستی نشان دهد. از آنجایی که طراحی کنترلر فازی بهینه شده در محیط شبیه‌سازی متلب امکان‌پذیر است، لذا برای پیاده‌سازی این کنترلر برای برج تقطیر، فرایند نیز در متلب شبیه‌سازی می‌شود، اما شبیه‌سازی برج تقطیر در این محیط علی‌رغم اینکه بسیار سخت و زمان‌بر است از دقت شبیه‌سازی کافی نیز برخوردار نمی‌باشد، به خصوص برای فرایندهای پیچیده این کار تقریبا غیرممکن است. بنابراین به نرم‌افزار شبیه‌سازی فرایندهای شیمیایی مانند هایسیس نیاز می‌شود. در این پایان‌نامه پیاده‌سازی کنترل فازی بهینه شده با الگوریتم PSO برای سه سامانه برج تقطیر متفاوت مورد بررسی قرار گرفت. سامانه اول، برج تقطیری است که از معادلات مربوط به موازنه جرم و انرژی، برای مدل کردن برج، در متلب استفاده می‌شود. هدف به حداقل رساندن تداخل میان دو حلقه کنترلی برای کنترل درصد خلوص محصول بالای برج با جریان برگشتی بالای برج و کنترل درصد خلوص محصول پایین برج با بخار تزریق شده به پایین برج، می‌باشد. در این سامانه، کنترلر فازی بهینه شده با الگوریتمPSO (PSO-FLC) کارکرد مطلوب‌تری در مقایسه با کنترلر PID بهینه شده با الگوریتم PSO (PSO-PID) در برخورد با تغییر مقدار مقرر خواهد داشت. به طوری که کمترین مقدار تابع برازندگی میانگین قدرمطلق خطا(MAE) پس از بهینه‌سازی مربوط به PSO-FLC برای کنترلرهای بالا و پایین با مقدار 0011/0برای کنترلر بالای برج و 0008/0 برای پایین برج می‌باشد. سامانه دوم، برج تقطیری است که در فرایند بازیافت اتان در هایسیس شبیه‌سازی شده است. هدف پیاده‌سازی مستقیم کنترل فازی بهینه شده با الگوریتم PSOبرای کنترل درصد بازیافت اتان محصول پایین برج، با استفاده از ارتباط بین هایسیس و متلب، می‌باشد. این سامانه برای بیان صحت عملکرد کنترل فازی بهینه در ارتباط بین دو نرم‌افزار می‌باشد. در این سامانه نیز پس از بهینه‌سازی با الگوریتم PSO مقدار تابع برازندگی مجموع قدرمطلق خطا (SAE) از 168/0 برای کنترلر فازی به 0365/0 برای PSO-FLC به دست خواهد آمد. سامانه سوم، برج تقطیری است که در فرایند NGL در هایسیس شبیه‌سازی شده است. هدف پیاده‌سازی مستقیم کنترل فازی بهینه شده با الگوریتم PSO برای کنترل فشار بالای برج در حضور سایر کنترلرها، با استفاده از ارتباط بین هایسیس و متلب، می‌باشد. این سامانه برای بیان صحت عملکرد کنترل فازی بهینه در حضور سایر کنترل کننده‌های برج تقطیر در ارتباط بین دو نرم‌افزار می‌باشد. در این سامانه نیز، نشان داده می‌شود که ساختار کنترلی که برای برج تقطیر در نظر گرفته شده است، به خوبی با اغتشاشات اعمال شده مقابله کرده و هریک از حلقه‌های کنترلی می‌توانند پارامتر کنترلی خود را به خوبی کنترل کنند. همچنین پس از پیاده‌سازی PSO-FLC مشاهده خواهد شد که این کنترلر دارای سرعت همگرایی نسبتاً بالاتری نسبت به PID بوده و تاثیر مثبتی نیز روی سرعت همگرایی سایر کنترلرها دارد. به‌طوری‌که اغتشاش اعمال شده در تکرار 50، در تکرار 97 توسط PID و در تکرار 90 توسط PSO-FLC دفع شده و پارامترهای کنترلی به مقدار مقرر خود همگرا خواهند شد.
- Abstract
- Distillation is an essential separation process in the chemical and petrochemical industry that different units in the upstream and downstream are dependent on its function and stability. Distillation systems are inherently uncertain and highly nonlinear behavior and its parameters are in severe interfering with each other. In contrast to classical controllers, the fuzzy control of complex processes and unknown appropriately is applied. In this thesis, the implementation of the optimal fuzzy logic controller with PSO algorithm (PSO-FLC) is established for three different distillation systems. In the first case study, two optimal fuzzy controllers (PSO-FLC) are designed to replace two optimal PI controllers (PSOPI), for a LV configuration of a binary distillation column to perform dual composition control of the top and bottom products. The objective is to minimize the interference between these control loops. In this system, PSO-FLC works better than PSO-PID when the set point is tracked. The lowest Mean Absolute Error (MAE) value is 0.0011 for the top PSO-FLC and 0.0008 for the bottom PSO-FLC. The second case study presents a new method which implements FLC on an industrial nonlinear plant. In this study, fuzzy control block is used in HYSYS environment simulation by connection between MATLAB and HYSYS. Combination of PSO and FLC is utilized by using establish interface between MATLAB and HYSYS to hold bottom ethane recovery at desired value, by manipulating one of the side stream flow rate of demethanizer column. The fitness function value of the Sum Absolute Error (SAE) of the PSO-FLC is 0.0365 and 0.168 is obtained for FLC. In the third study, fuzzy control block is used in dynamic HYSYS environment simulation on the other controllers by connection between MATLAB and HYSYS. In this work after selection distillation column control system, PSO-FLC is utilized to regulate top pressure of the column. Simulation results obtained in the developed integrated HYSYS– MATLAB environment, demonstrate the capability of the proposed approach to efficiently PSOFLC control an industrial distillation column in a real and practical manner. Also FLC has 10% better response time to feed disturbances in comparison with PID.
